CFD技术不再是“阳春白雪”——访国家计算流体力学实验室主任北京航空航天大学李椿萱院士

CFD(计算流体动力学)技术是一种计算机模拟技术,集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体。CFD技术的发展源于核武器、航空航天等一些高科技领域。过去由于CFD技术涉及复杂的流体力学理论让人望而却步。如今,随着计算机以及相关技术的迅速发展,特别是一些CFD商业软件的出现,CFD技术已不再是停留在“象牙塔”中的高深学问,它已在各个工业领域中发挥出越来越大的作用。CFD技术在我国家电行业内的应用尚还处于起步阶段,其相关的一些情况还不为广大家电行业的工程师们所了解。为此本刊记者专门走访了国家计算流体力学重点实验室主任北京航空航天大学李椿萱院士,请他聊一聊有关CFD应用中的一些问题。

李椿萱题字

立足空气动力研究与试验,秉承以论文质量为核心之宗旨,以科学、求真、务实的精神,持续打造展示空气动力学前沿研究和技术发展的优秀平台。

激波与湍流边界层干扰流动的马赫数效应

激波与湍流边界层相互干扰(SWTBLI)现象可诱导形成复杂的流场结构和气动力热分布特性,其干扰机制和影响机理至今仍未被充分掌握。为分析超/高超声速SWTBLI流动的机理,开展了来流马赫数为3、5、11条件下压缩拐角流动的直接数值模拟(DNS)研究。结果显示,SWTBLI使干扰区内的速度、压强等物理量的脉动显著增强,且增强幅值随来流马赫数升高而增大;同时,上游边界层中的温度、压强等物理量的脉动也随来流马赫数的增大而增强。在SWTBLI作用下,流动的可压缩效应明显增强,干扰区内压力膨胀项和膨胀耗散项不再可忽略。在高超声速条件下,上游边界层中的压力膨胀项和膨胀耗散项也比较重要。此外,SWTBLI诱导的壁面压强平均值和脉动均方根值的分布存在共性。在所有来流马赫数下,干扰区内的壁面压强脉动相比上游边界层均显著增强,并形成明显的峰值。流动发生显著分离时,将分别形成位于平均分离点和再附点附近的壁面压强脉动峰值。

横风环境下方形建筑迎风面雨滴收集率特性分析

现有建筑风驱雨研究主要关注不同环境和建筑外形条件下,建筑表面风驱雨量的分布结果,但缺乏对风驱雨量分布产生原因的分析。利用有限区域计算方法,对典型条件下方形建筑迎风面收集率分布进行计算,分析了雨滴轨迹包络区域的变化规律,说明了收集率分布的产生原因。结果表明,从轨迹起点平面至终点平面,轨迹包络区域存在拉伸和扭转2种效应。在风向角为0°、参考风速为10 m/s时,高度和宽度方向拉伸率均呈现“上小下大”、“两侧小中间大”的特点。高度方向边界扭转角呈现从中间到两侧逐渐增大的趋势,宽度方向边界扭转角呈现从角点到中间区域逐渐减小的趋势。随参考风速增大,高度方向拉伸率由正变负,宽度方向拉伸率逐渐减小,高度方向扭转角在靠近地面区域逐渐增大、在建筑上部逐渐减小,宽度方向扭转角在靠近建筑顶部区域逐渐增大、在建筑下部逐渐减小。风向角为30°时,从上风侧到下风侧,高度方向拉伸率、高度和宽度边界扭转角均逐渐增大,宽度方向拉伸率则从两侧到中间逐渐增大。研究结果为分析建筑外形对收集率分布的影响和建筑防雨结构设计提供了进一步的理论依据。

附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟

从小马赫数下的可压缩Navier Stokes方程出发 ,采用覆盖网格分区算法 ,对在主圆柱尾流场的适当位置放置附属小圆柱时的流动特性及其对主圆柱绕流问题的影响进行了详细的数值模拟研究 .根据模拟结果 ,主要探讨在小雷诺数范围内 ,附属小圆柱位置、个数、大小以及雷诺数变化等因素对主圆柱绕流的流场结构及其非定常演化过程的影响 .计算结果表明 ,在小雷诺数范围内 ,无论附属小圆柱的个数如何 ,都存在最佳抑制区域 .当附属小圆柱放在这个区域时 ,涡街被完全抑制 ,整个流场达到准定常状态 ;同时 ,阻力系数也显著下降 .在一定程度上 ,随着小圆柱直径的增加 ,主圆柱涡脱落更易被抑制 .另外 ,相对于单个附加小圆柱而言 。

绕三角翼旋涡流动的数值模拟

本文通过高清晰度的Ｎ－Ｓ方程数值模拟对绕大后掠三角机翼的旋涡流动结构及旋涡破裂进行了研究，给出了机翼背风面上复杂的旋涡流动结构，绘制了流动横截面上的截面流线。算例的计算采用了隐式近似因子分解格式。通过算例的计算结果结合拓扑分析理论，对亚声速三角翼背风区主涡及二次涡结构的发展、演变规律进行了探讨。

模拟高度复杂流动的自适应网格算法

提出一种基于对等弧分布律进行扭转修正的自适应网格算法。该方法将三维网格系统分裂为３个单方向自适应网格子系统，在计算中与主控方程的求解格式相耦合，交替地使用。应用所构造的算法结合ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式对喷流／绕流干扰流场进行了雷诺平均Ｎ－Ｓ方程模拟，给出了清晰的剪切层与激波波系结构。计算结果表明，该自适应网格算法可较大程度地提高ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式的分辨率。

计算三维边界层分离流动的一种双向推进有限元格式

本文提出一种适用于兰维边界层正、逆向问题的有限元格式。格式采用了对壁面法向进行Galerkin加权,沿壁面进行子域加权并作双向推进的弱解形式。它不仅可节约内存,同时还可通过与等参元素的结合应用给出CFL条件的显式表述,保证了问题的快速求解。进行逆模态计算时,以位移厚度作约束条件,通过Lagrange乘子直接引入边界层方程的有限元类比中进行整体求解。算例表明该格式模拟三维边界层流动是经济有效的。

绕AOTV高超音速流场的数值计算

本文采用实质上为二阶精度的隐式无波动、无自由参数耗散(NND)差分格式结合Steger-Warming矢通量分裂方法求解N-S方程,对AOTV外型的高超音速绕流进行了模拟。在计算中,对脱体激波采用了捕获法。作为验证,首先计算了二维圆柱绕流,并同文献[1]的数据进行了比较,取得了满意的结果,算例的计算结果还表明,采用本文的方法对激波的模拟具有较高的分辨能力。

重视“国文”教育 提高书写能力

自恢复高考三十余年来，各级学校越来越重视与升学有关课程的教学工作，却忽视乃至取消了与升学无关、但关系到提高国民素质、培养社会责任感的人文教育。人文教育项目不少，汉字书写训练便是其中最具代表性、也是最基本的一项。

车厢间风挡形式对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的CRH380型列车简化模型为基础,在速度分别为360、420、500km/h的条件下,研究车厢间7种风挡形式对各车厢和车厢连接处气动性能的影响。对比分析结果表明:车厢间风挡形式对车厢的压差阻力和黏性阻力影响不大;上下风挡比侧风挡对车厢的升力影响更大;车厢间采用全风挡与采用典型风挡相比,前者车厢连接处的气动阻力约为后者的7%,而无风挡的车厢连接处的气动阻力约为其50%;若车厢间采用上下和两侧闭式风挡,则车厢连接处的压差阻力约为典型风挡的30%。综合考虑气动性能和工程易实现性,采用上下和两侧闭式风挡形式更适用于高速列车。

高超声速气动热数值计算壁面网格准则

首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷诺数准则)进行了分析.随后,提出了壁面参数预估方法,使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁面法向网格尺度.其次,运用提出的壁面参数预估方法结合不同网格准则,在同一实验条件下确定多个壁面法向网格尺度,通过与实验数据对比研究各网格准则确定的壁面法向网格尺度是否满足热环境模拟精度要求,并对提出的壁面参数预估方法进行验证.最后,开展了高超声速二维完全气体及真实气体效应算例、三维钝双锥算例的数值模拟.研究表明,壁面参数预估方法是可靠的;自由来流参数网格雷诺数准则随来流静温变化所确定的网格尺度变化趋势与物理推理相悖;基于壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则主要受壁面温度影响,其在同一条件下所确定的网格尺度基本一致,并满足热环境模拟的精度要求.

高超声速电离绕流的数值模拟

本文从三维N S方程出发 ,采用隐式L U分解算法和 7组分 1 5个反应的化学模型 ,数值模拟高超声速电离空气绕流。首先采用对称TVD格式、AUSMPW +格式和VanLeer的矢通量分裂格式计算了高超声速球头绕流 ,并对它们的计算结果做了对比分析。然后用前两种格式 ,对RAM C飞行试验模型三个再入高度 ( 81km、71km、61km)的流场进行了数值模拟 。

Hall效应对三维磁流体发生器的影响

应用三维非理想低磁雷诺数磁流体五方程模型发展了对带有强制项的Navier-Stokes方程组采用熵条件格式,对椭圆型电势方程采用SOR进行迭代的数值方法,研究了Hall效应对磁流体旁路超燃冲压发动机中磁流体发生器流动及性能的影响.磁流体发生器采用电子束获得有效可靠的电导率.计算结果表明,Hall效应可引起流场和电场的扭曲,从而诱导出不稳定二次流的发展与演变,并破坏Joule热的分布.对这些磁流体现象作出了较详细的分析.最后计算了磁流体发生器的性能参数,说明Hall效应将导致磁流体发生器的性能下降.

横风强度对平原上集装箱列车横向稳定性的影响

应用平原大气边界底层速度型,对平原上运行速度为120 km/h的集装箱列车在横风角为90°8~12级横风下的空气动力载荷进行数值研究。研究对象分别为机车牵引装载着12.192 m（40英尺）集装箱的3辆NX70型平车和3辆X6K型平车的计算模型。结果表明,平原上X6K型平车装载集装箱所受升力的平均值约为NX70型平车集装箱的25%左右;2个列车模型中位置相同的集装箱所受侧向力基本相等,集装箱所受翻滚力矩约为NX70型平车集装箱的60%左右。铁路集装箱车辆的设计对其在平原上装载集装箱所受升力的影响很大,对集装箱所受侧向力的影响很小;集装箱平车底架的大面积空隙有利于列车底部和集装箱底部之间的空气流通,可有效降低集装箱所受升力和翻滚力矩;合理的铁路车辆设计可在一定程度上提高平原上集装箱车辆运行的横风稳定性。

类X-37B飞行器气动特性的数值研究

对类X-37B飞行器模型在50km高度以下不同飞行状态下的气动特性进行了数值模拟研究,将计算结果与航天飞机和X-34飞行器的试验结果进行了对比分析。结果表明,高马赫数大攻角再入飞行时,类X-37B飞行器和航天飞机的飞行升阻比相差不大,再入飞行横向机动能力相当。亚声速小攻角飞行时,类X-37B飞行器的升阻比大于航天飞机,小于X-34飞行器;说明类X-37B飞行器的低速机动和定点着陆能力强于航天飞机,弱于X-34飞行器。有翼再入飞行器气动布局差异对高超声速大攻角升阻比影响较小,对低速小攻角气动特性影响很大。

空气动力学在民用工业中的应用

航空航天技术是多种学科、工程技术综合起来的一个高技术大系统。这系统的发展,集合利用了多种工程技术和学科研究开发的新成果,同时又推动了这些技术和学科的进一步发展。充分将航空航天技术发展过程中所开发出来的各工程技术领域的新成果应用到工、农业生产和人民生活中,对促进工、农业的发展,提高人民物质。

基于熵条件二阶差分格式的嵌套网格分区算法

以带熵条件的二阶TVD格式为基本格式,设计了三维曲线坐标下的Euler方程数值计算方法.对多个物体使用分区嵌套网格设计了相应的分区算法.所建立的算法适用于处理物体相互分离以及相互接触的定常与非定常流动问题.给出了绕两圆柱的超声速流动在两圆柱处于不同位置时的详细结果,并模拟了装配鸭舵火箭弹在超声速旋转飞行时的气动特性.

平原上不同长度集装箱列车横风载荷的数值研究

对在横风角为90°的10级横风作用下平原上以120 km/h速度运行的集装箱列车的空气动力载荷进行数值研究。采用平原大气边界底层速度型模拟运行环境,研究对象包括5种模型:机车分别牵引2辆、3辆、10辆载有集装箱的平车的列车模型以及1辆、3辆集装箱平车的周期边界模型。结果表明,机车尾流会削弱第1辆车所载集装箱的升力,第2辆车所载集装箱受到的升力最大;前车尾流导致后车的来流风向角和侧向力依次减少,第1辆车集装箱所受侧向力最大;第2辆车集装箱所受翻滚力矩最大,前3辆车集装箱所受翻滚力矩值比较接近;随列车长度增加,气动载荷在达到其最大值后呈逐渐下降趋势,尾车的绕流作用导致尾车集装箱的气动载荷迅速减少。用周期边界模型模拟长集装箱列车中段的空气动力载荷,其集装箱所受翻滚力矩约为整列车中最大值的80%～84%。

重叠网格装配中的一种改进ADT搜索方法

针对现有交替数字二叉树(ADT)方法的不足,引入辅助笛卡儿网格提出了一种基于散列数据结构的改进搜索方法以缓解可能出现堆栈溢出的问题和提高重叠网格装配的效率。该方法以散列数据结构的方式对网格单元进行存储和搜索,首先以辅助笛卡儿网格对网格单元的存储空间进行初步映像,然后基于ADT搜索树作进一步检索。在ADT搜索方法的基础上,笛卡儿网格的引入进一步缩小了网格单元的搜索范围使得改进方法具有更好的效率。基于单个网格节点,查询深度和搜索耗时的测试显示改进方法相比现有ADT搜索方法能使挖洞的平均效率提高25%以上。此外,挖洞结果和基于网格装配的数值计算验证了改进搜索方法在重叠网格装配中的可靠性。